Paineen fysikaaliset lait muotoili ensimmäisenä Robert Boyle 1660-luvulla. Nämä lait koskevat kaikkia kaasuja. Muilla tutkijoilla, sukeltajilla ja vuorikiipeilijöillä saattoi olla käytännön tietoa näistä laeista jo ennen Boylea, mutta he eivät osanneet antaa niille tieteellisesti hyväksyttävää sanamuotoa.
Boylen laki toteaa, että kaasun tilavuus tietyssä lämpötilassa on kääntäen verrannollinen kaasun paineeseen. Toisin sanoen mitä enemmän painetta astiassa olevaan kaasuun kohdistetaan, sitä pienempi on kaasun tilavuus, ja mitä vähemmän painetta kaasuun kohdistuu, sitä suurempi on sen tilavuus. Kun esimerkiksi heliumilla täytetty ilmapallo nousee ilmakehään, se laajenee ilmanpaineen pienetessä, kunnes se lopulta halkeaa.
Toisen havaintoesimerkin tarjoavat ihmisen keuhkot. Sukeltaja vetää syvään henkeä ennen mereen sukeltamista. Hänen keuhkonsa puristuvat kokoon sitä mukaa, kuin hän menee alemmaksi ja hänen ruumiinsa sisällä olevaan ilmaan kohdistuva veden paine suurenee. Hänen rintakehänsä painuu kasaan ja hänen vatsansa menee kuopalle aivan kuin uloshengityksessä. Kun hän ui takaisin pintaan, hänen rintakehänsä ja vatsansa palautuvat normaalitilaan.
Kiinteät aineet, nesteet ja kaasut koostuvat molekyyleistä, joiden välillä vallitsee keskinäinen vetovoima. Lämpötilan noustessa molekyylien liikenopeuskin nousee. Kun vettä lämmitetään astiassa kiehuvaksi, molekyylit pakenevat ja muuttuvat kaasumaiseksi vesihöyryksi. Jos astia suljettaisiin tiiviisti ja lämpötila kohoaisi riittävän korkeaksi, astia murtuisi räjähtäen. Kaasut laajenevat aina täyttäen koko säiliön. Jos säiliö on joustava, kuten ilmapallo tai keuhkot, kaasu laajentaa myös säiliötä. Kaasulla ei sinänsä ole tiettyä tilavuutta, joten paine, jonka kaasu kohdistaa säiliön seinämiin, on suhteessa kaasumolekyylien nopeuteen ja määrään. Tätä painetta nimitetään kineettiseksi paineeksi.
 |
Kun tämä muovinen laskuvarjo nousee pintaan päin, sen alle sulkeutuneen ilman tilavuus kasvaa, koska ympäröivä hydrostaattinen paine alenee. |
| Kansilehti |
|---|
| Huolehtivainen isä |
| Ilmasta veteen |
| Paineen lait |
| Veden voima |
| Painovoima vetää kaikkien maanpinnan aineiden kaikkia molekyylejä pystysuoraan maapallon keskustaa kohti. Maata ympäröivä ilmakehä ei ole suljettu minkäänlaiseen säiliöön, mutta se pysyy maapallon ympärillä painovoiman ansiosta. Kiinteän aineen paino on esineen kaikkiin molekyyleihin kohdistuvan painovoiman suuruus.
Kun on kysymys nesteestä, painovoima määrää hydrostaattisen paineen, joka mitataan painekohdan yläpuolella olevan nestepatsaan painon avulla. Nesteen pinnassa hydrostaattinen paine on siis nolla. Kokoon puristumattomien nesteiden, kuten veden, tiheys pysyy lähes vakiona. Syvemmälle mentäessä veden paine kohoaa tasaisesti ja nopeasti. Me olemme niin tottuneita meitä ympäröivään ilmaan, ettemme aina edes huomaa sen tiheyttä ja painetta. Merenpinnan tasolla ilman paine on 1033 grammaa yhtä neliösenttimetriä kohden. Merenpinnan tasolta korkeammalle mentäessä meitä painava ilmapatsas lyhenee ja ilmakehän paine laskee. Noin 5000 metrin korkuisen vuoren huipulla vallitseva paine on vain puolet merenpinnassa vallitsevasta paineesta. Vastaavasti ilmakehän paine on normaalia suurempi niillä maa-alueilla, jotka sijaitsevat merenpintaa alempana. Vesi on 800 kertaa ilmaa tiheämpää. Niinpä veden paine suurenee hyvin nopeasti mentäessä merenpinnasta alaspäin. Jo noin kymmenen metrin syvyydessä veden paine on 1033 grammaa neliösenttimetriä kohden, ja koska yläpuolella olevan ilman paine on samansuuruinen, vesi ja ilma yhdessä kohdistavat kalaan, kallioon tai ihmiseen »kahden ilmakehän» paineen eli noin 2066 g/ cm2. Laskeuduttaessa vielä kymmenen metriä syvemmälle paine suurenee taas yhden ilmakehän verran. Noin 20 metrin syvyydessä sukeltajaan kohdistuva paine on siis normaaliin ilmanpaineeseen verrattuna kolminkertainen. Ilma, joka vedenpinnassa täyttää ylösalaisin käännetyn sangon tai ihmisen keuhkot, puristuu kymmenen metrin syvyydessä puoleen alkuperäisestä tilavuudestaan. Tässä syvyydessä paine on kaksinkertainen pinnassa vallitsevaan paineeseen verrattuna. 20 metrin syvyydessä paine on kolminkertainen ja ilman tilavuus kolmannes alkuperäisestä. 30 metrin syvyydessä paine on nelinkertainen ja tilavuus laskenut neljännekseen. Keuhkot eivät näy piirroksessa oikeissa mittasuhteissa, koska ne ovat muodoltaan epäsäännölliset ja kolmiulotteiset. |
 |
Taitto: ja web julkaisu: Jari Saarinen